無機(jī)固化劑與離子型固化外加劑在道路工程中的應(yīng)用

胡 浪，陳 建

(貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 550000)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，道路建設(shè)進(jìn)入一個全新的時期，天然砂、石資源是建設(shè)路基工程、高等級公路路面基層底基層的主要原材料。國家每年擴(kuò)建的公路里程逐年增加，隨著這些道路工程以及其他混凝土工程等大型建設(shè)工程的啟動，天然砂、石等資源短缺的問題日益凸顯。僅“十三五”期間，我國天然砂石資源消耗量超200億t[1,2]。資源短缺，造成天然砂、石價格高漲[2]。此外，大量的采用天然砂石會導(dǎo)致水文條件和土地資源的破壞，不符合綠色環(huán)保的發(fā)展理念；同時，長距離的原材料運(yùn)輸不僅會使工程成本大大增大，也導(dǎo)致部分地區(qū)供給困難。所以，怎樣最大限度的利用工程當(dāng)?shù)氐脑牧希怪_(dá)到技術(shù)要求，成為擺在當(dāng)前公路建設(shè)中面前亟待解決的問題。

土壤穩(wěn)定和固化，就是通過某種措施將碎散狀的土壤固結(jié)為具有一定強(qiáng)度和整體性的固體物質(zhì)，經(jīng)固化處理的土可以成為固化土[3]。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為固化土的重要性能指標(biāo)，許多國家都是采用此指標(biāo)作為檢測指標(biāo)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JTG E51—2009[4]，我國對于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也作出了明確的要求。研究發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定和固化的過程通常會增加處理后土壤的強(qiáng)度，降低其收縮性和吸水性，大大提高穩(wěn)定固化后土壤的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度[5]。土壤加固是一個古老的話題，從古代的機(jī)械力和熱處理加固以及化學(xué)加固——三合土，到現(xiàn)代的巖土固化劑固化，土壤加固技術(shù)發(fā)展已有幾千年歷史[3]。巖土固化劑，總的來說可以將其分為兩種體系：無機(jī)膠凝材料類和有機(jī)類外加劑。無機(jī)膠凝材料類比如：水泥、石灰、粉煤灰等膠凝材料；有機(jī)類外加劑比如：離子型固化外加劑、酶類、有機(jī)類高分子等等。

1 無機(jī)膠凝材料

1.1 國外研究狀況

在國外，無機(jī)膠凝材料尤其以水泥、石灰作為固化劑的研究由來已久。1915年，美國一位工程人員無意間將貝殼、砂子、水泥混合后進(jìn)行壓實(shí)，獲得了良好的固化效果，自此，水泥才真正作為巖土固化劑用在道路工程。隨著科學(xué)及工程技術(shù)的不斷發(fā)展，各地工程人員將水泥、石灰、粉煤灰、工業(yè)廢渣等無機(jī)膠凝材料作為固化劑對土體進(jìn)行加固，并對其加固效果進(jìn)行了研究分析。Kamon M等[6]研究發(fā)現(xiàn)將含有鋁的工業(yè)廢渣和石灰混合后可以制成新的巖土固化劑，使用該新型固化劑后的土體早期強(qiáng)度大幅度提升。Karatai T R等[7]將稻殼灰(RHA)作為穩(wěn)定劑和石灰混合后對膨脹土進(jìn)行固化，可以大幅度提高膨脹土的CBR值，同時降低土壤的塑性和膨脹率。Rajakumaran K[8]發(fā)現(xiàn)使用鋼渣-粉煤灰對膨脹土進(jìn)行加固效果非常好，且得出最佳配合比，按照4%鋼渣+6%粉煤灰配合比混合后膨脹土的固化效果最為明顯。Chonggen Pan等[9]將水泥、氧化鈣、混凝劑硫酸鈣、氧化劑高錳酸鉀混合固化淤泥質(zhì)土，試驗(yàn)結(jié)果表明，最佳固化配方為水泥35%、氧化鈣31%、混凝劑硫酸鈣30%、氧化劑高錳酸鉀5%，且隨著固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，提高了固化土的強(qiáng)度，黏土中的部分有機(jī)物被氧化劑分解成小分子，有利于固化土的早期強(qiáng)度，同時，固化土中的水化產(chǎn)物增加，氧化劑促進(jìn)水化穩(wěn)定反應(yīng)，使孔隙結(jié)構(gòu)致密。

1.2 國內(nèi)研究狀況

我國固化土的發(fā)展和應(yīng)用起步較晚，但是在近幾十年來發(fā)展十分迅速。比如，2003年建設(shè)三峽工程中，水泥穩(wěn)定土作為圍堰防滲材料被大量應(yīng)用到工程中。此外，國內(nèi)學(xué)者對無機(jī)膠凝材料固化土壤做了大量的試驗(yàn)研究，并取得了突破性進(jìn)展。黃新等[10-12]認(rèn)為水泥加固的強(qiáng)度主要由水泥水化反應(yīng)生成的水化硅酸鈣等物質(zhì)的膠結(jié)作用所提供，并且隨著水泥摻量的增加，水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增大。李海龍等[13]通過改變水泥和生石灰的摻入比例，以最佳含水率、最大干密度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR值為評價指標(biāo)，研究了水泥和生石灰同時摻入吹填土后的性能，并提出以模糊評價法來選取固化材料最優(yōu)配比的思路。鄧曉軒等[11]認(rèn)為，水泥與軟土拌和后反應(yīng)生成的氫氧化鈣可能會被土樣吸收，導(dǎo)致固化土中氫氧化鈣濃度欠飽和，進(jìn)而使得生成C-S-H不足，因此摻加理論上可以提高氫氧化鈣含量的化學(xué)試劑，比如NaOH、Mg(OH)2、Ca(OH)2、Na2CO3、K2CO3。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固化土中氫氧化鈣不飽和時，這些外摻劑可以顯著提高固化土的強(qiáng)度，且氫氧化鈣飽和度越低，所需外摻劑的劑量越大，反之，固化土中氫氧化鈣飽和時，則這些外摻劑對固化土強(qiáng)度沒有影響。李敏等[14]以濱海地區(qū)石油污染鹽漬土為研究對象,采用石灰粉煤灰進(jìn)行固化處置,借助無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),量化固化效果及各個因素的影響程度。結(jié)果表明:石灰粉煤灰聯(lián)合固化可使石油污染土的抗壓強(qiáng)度大幅提高,12%石灰+20%粉煤灰固化石油污染土的強(qiáng)度滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)中關(guān)于二級公路上下路堤及地基土置換的抗壓強(qiáng)度要求。李晨等[15]通過X射線衍射試驗(yàn)(XRD)和掃描電子顯微鏡檢查法(SEM)鑒定固化材料中針狀結(jié)晶的鈣礬石形成，同時通過對pH、含水率、溫度、粘粒含量和硫酸鹽化水平對鈣礬石的生成的影響進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果表明鈣礬石的高膨脹性對水泥或石灰固化土的影響有利有弊。周永祥等[16]為了解決在固化鹽漬土過程中可能發(fā)生的體積膨脹變形危害，采用礦渣-粉煤灰-水泥復(fù)合固化劑，結(jié)果表明膨脹性產(chǎn)物Ca2+減少，可以降低固化鹽漬土的膨脹率，且含水率會影響固化土的疏密程度以及膨脹性產(chǎn)物的生長位置。

2 有機(jī)類外加劑

2.1 國外研究狀況

2.2 國內(nèi)研究狀況

我國從20世紀(jì)90年代開始，由國家牽頭從國外引進(jìn)性能優(yōu)良的離子固化外加劑，并對此進(jìn)行了大量的研究探索。盧雪松[22]用ISS固化武漢紅色粘土，研究發(fā)現(xiàn)ISS“親水頭”能和土顆粒表面吸附的陽離子形成化學(xué)鍵，“疏水尾”對紅色粘土顆粒表面有一定的排擠作用，并阻止水分進(jìn)入體系，ISS使雙電層厚度減小，結(jié)合水膜變薄，從而降低土顆粒之間的排斥性使引力增加，使土顆粒之間相互靠近，土體變得更加密實(shí)，土的強(qiáng)度提高。黃優(yōu)平等[23]用CHF離子固化外加劑對頁巖土、砂土進(jìn)行固化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)固化的兩種土體經(jīng)5次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度殘留值明顯增大，摻加離子型外加劑的實(shí)驗(yàn)組抗凍融循環(huán)能力更強(qiáng)。李建東等[24]用F1離子型固化外加劑固化黃土，經(jīng)F1固化的黃土浸水后CBR值隨擊實(shí)次數(shù)明顯增大，浸水與未浸水的CBR強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別增大3.97倍和2.25倍，表明F1固化外加劑可以明顯改善固化土的水穩(wěn)性，提高固化土的CBR強(qiáng)度。張麗萍等用兩種離子外加劑固化素土，研究發(fā)現(xiàn)，CONAID和LUKANG兩種離子型外加劑均可以有效降低固化土的滲透系數(shù)，且隨著齡期的增長，效果發(fā)揮越充分，固化土的抗?jié)B性越強(qiáng)。在研究國外固化劑固化效果以及機(jī)理的同時，我國研究者針對不同地區(qū)土壤特性也積極自主研發(fā)巖土固化劑。黃曉明等[25]從研制TR型巖土固化劑入手，通過對比分析石灰、水泥和TR型固化劑對亞粘土的固化情況，TR型固化劑固化粘土具有更高的強(qiáng)度，TR型固化劑具有良好的實(shí)用性和應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

3.1 目前存在的問題

無機(jī)膠凝材料和有機(jī)類外加劑對巖土進(jìn)行固化，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，并取得了很多優(yōu)異的成果。但是無論是無機(jī)膠凝材料還是有機(jī)類外加劑(離子型)，都存在或多或少的問題。無機(jī)膠凝材料方面，比如水泥：碳排放量高，對黏質(zhì)土、粉土、酸性土固化不理想；石灰：固化強(qiáng)度不高，水穩(wěn)性差，價格近年來增長較快，價格甚至已超過硅酸鹽水泥；工業(yè)廢渣類無機(jī)膠凝材料：生產(chǎn)規(guī)模小，質(zhì)量控制難，通用性差。離子型外加劑也存在后期強(qiáng)度增長緩慢等問題。

3.2 應(yīng)對措施和研究發(fā)展趨勢

基層、底基層在路面結(jié)構(gòu)中起到十分重要的作用，固化土基層、底基層在滿足工程性能的同時，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益也是關(guān)鍵一環(huán)。因此，針對不同地區(qū)不同土質(zhì)選擇針對性的巖土固化劑必將是一項(xiàng)長期而具有重要意義的研究課題。當(dāng)前常用固化劑水泥對路面基層的抗壓有較好的提升，對水穩(wěn)定性抗?jié)B透性能等的改善卻沒有明顯的效果，影響其耐久性能；復(fù)合使用合適的離子型固化外加劑則可以很好的改善固化土基層的耐久性能，起到“1+1>2”的理想效果。在離子型外加劑研發(fā)方面，我國起步比較晚，大多還是源自歐美日等發(fā)達(dá)國家，因此與國外有一定差距。近年來在迎頭趕上，在開展我國離子型固化外加劑的自主研發(fā)以及對國外產(chǎn)品的優(yōu)化。